=================================== 偏微分の計算方法 =================================== 任意の関数を偏微分しようと思ったら、関数の形だけ微分の公式を見つけなければなりません。 その公式を見つける際に、もとの関数を合成関数として見る方法があります。 そうすることで関数の偏微分するという問題は、合成関数の偏微分の問題に変わります。 そうすることで、ごく限られた微分の公式を覚えているだけで、多くの偏微分の公式を見つけることが可能になるのです。 ここでは、掲示板でよせられた質問についてのみ考えていきます。一般的な議論についてはここでは扱いませんので、あらかじめ ご了承下さい。 質問と解説 -------------------------------- 掲示板で次のような問題について質問がよせられてきました。 質問 ^^^^^^^^^^^ 位置ベクトル $\bm{r}$ の動径距離 ${|\bm{r}| = r = \sqrt{x^2 +y^2 +z^2}}$ を直交成分 ${x,y,z}$ で偏微分すると、どうして次のようになるのですか。 \frac{\partial r}{\partial \bm{r}} &= \begin{pmatrix} \frac{\partial }{\partial x} \bm{e}_{x} + \frac{\partial }{\partial y} \bm{e}_{y} + \frac{\partial }{\partial z} \bm{e}_{z} \end{pmatrix} r\\ &= \frac{\partial r}{\partial x} \bm{e}_{x} + \frac{\partial r}{\partial y} \bm{e}_{y} + \frac{\partial r}{\partial z} \bm{e}_{z}\\ &= \frac{x}{r} \bm{e}_{x} + \frac{y}{r} \bm{e}_{y} + \frac{z}{r} \bm{e}_{z}\\ &=\frac{\bm{r}}{r} \tag{1} 解説 ^^^^^^^^^^^ この問題の場合、関数 $r$ を次のような合成関数として見るのが便利です。 &f = f(x,y,z) \tag{2}\\ &r = r(x,y,z) = r(f) \tag{3} すると偏微分は合成関数の偏微分の公式 \frac{\partial r}{\partial x} = \frac{\partial r}{\partial f} \frac{\partial f}{\partial x} \tag{4} が使えます。 $\tag{2}$ , $\tag{3}$ に具体的な関数を書くと、次のようになります。 &f = x^2 +y^2 +z^2 \tag{5}\\ &r = \sqrt{x^2 +y^2 +z^2 } = \sqrt{f} \tag{6} 実際に上記の式を利用した計算を示すと &\frac{\partial f}{\partial x} = 2x \tag{7}\\ &\frac{\partial r}{\partial f} = 1/2 f^{1/2 - 1} =1/2 f^{-1/2} =\frac{1}{2 \sqrt{x^2 + y^2 +z^2}}\tag{8}\\ &\frac{\partial r}{\partial x} = 2x \frac{1}{2 \sqrt{x^2 + y^2 +z^2}} = \frac{x}{\sqrt{x^2 + y^2 +z^2}} = \frac{x}{r} \tag{9} ただしこのとき $\tag{8}$ で次の公式の $n=1/2$ の場合を使っています。( $g:$ 関数) \frac{\partial g^{n}}{\partial g} = n g^{n-1} (n \neq 0 ) \tag{10} 後の $y,z$ についての偏微分についても同じ方法でもとまります。結果だけ書いておくと &\frac{\partial r}{\partial y} = \frac{y}{r} \tag{11}\\ &\frac{\partial r}{\partial y} = \frac{y}{r} \tag{12} です。こうして $\tag{9}$ , $\tag{11}$ , $\tag{12}$ から $\tag{1}$ が得られる事が示されました。 補足説明 ^^^^^^^^^^ ここでは与えた式 $\tag{4}$ の導出を説明しておきます。 実はこの式は、全微分 $df,dr$ から自然に出てくる式です。これらの全微分の具体的なかたちは $\tag{1}$ , $\tag{2}$ より &df = \frac{\partial f}{\partial x}dx + \frac{\partial f}{\partial y}dy + \frac{\partial f}{\partial z}dz \tag{13}\\ &dr = \frac{\partial r}{\partial x}dx + \frac{\partial r}{\partial y}dy + \frac{\partial r}{\partial z}dz = \frac{\partial r}{\partial f}df \tag{14} になります。 $\tag{13}$ を $\tag{14}$ の最後のところに代入することによって \frac{\partial r}{\partial x}dx + \frac{\partial r}{\partial y}dy + \frac{\partial r}{\partial z}dz = \frac{\partial r}{\partial f}\frac{\partial f}{\partial x}dx + \frac{\partial r}{\partial f}\frac{\partial f}{\partial y}dy + \frac{\partial r}{\partial f}\frac{\partial f}{\partial z}dz が成り立つことが分かります。両辺を比較すると公式として与えた式 $\tag{4}$ が出てくるというわけです。 &\frac{\partial r}{\partial x} = \frac{\partial r}{\partial f} \frac{\partial f}{\partial x} \\ &\frac{\partial r}{\partial y} = \frac{\partial r}{\partial f} \frac{\partial f}{\partial y} \tag{16}\\ &\frac{\partial r}{\partial z} = \frac{\partial r}{\partial f} \frac{\partial f}{\partial z} \tag{17}